算法设计与分析实验报告c++实现(TSP问题、哈夫曼编码问题、顾客安排问题、最小生成树问题、图着色问题)

一、实验目的

1．加深学生对贪心算法设计方法的基本思想、基本步骤、基本方法的理解与掌握；
2．提高学生利用课堂所学知识解决实际问题的能力；
3．提高学生综合应用所学知识解决实际问题的能力。

二、实验任务

用贪心算法实现：
1、TSP问题
TSP问题（Travelling Salesman Problem）即旅行商问题，又译为旅行推销员问题、货郎担问题，是数学领域中著名问题之一。假设有一个旅行商人要拜访n个城市，他必须选择所要走的路径，路径的限制是每个城市只能拜访一次，而且最后要回到原来出发的城市。路径的选择目标是要求得的路径路程为所有路径之中的最小值。
2、哈夫曼编码问题
a.写一个程序，为给定的英文文本构造一套哈夫曼编码，并对该文本编码。
b.写一个程序，对一段用哈夫曼编码的英文文本进行解码。
c.做一个实验，测试对包含1000个词左右的一段英文文本进行哈夫曼编码时，典型的压缩率位于什么样的区间。
3、设有n个顾客同时等待一项服务，顾客i 需要的服务时间为ti ,i=1，2，3，…，n 。从时刻0开始计时，若在时刻t开始对顾客i服务，那么i的等待时间为t,应该怎么安排n个顾客的服务次序使得总的等待时间（每个顾客等待时间的总和）最少？
假设服务时间分别为{1，3，2，15，10，6，12}，用贪心算法给出这个问题的解。
4、最小生成树问题（Prim算法和Kruskal算法）
设G=(V，E)是一个无向连通网，生成树上各边的权值之和称为该生成树的代价，在G的所有生成树中，代价最小的生成树称为最小生成树（Minimal Spanning Trees）。
5、图着色问题
给定无向连通图G=(V, E)，求图G的最小色数k，使得用k种颜色对G中的顶点着色，可使任意两个相邻顶点着色不同。

三、实验设备及编程开发工具

编程开发工具：Microsoft Visual c++

四、实验过程设计（算法设计过程）

（一）TSP问题

1、基本算法思想
贪心算法：又称贪婪算法（greedy algorithm）,该算法是指：在对问题求解时，总是做出当前情况下的最好选择，否则将来可能会后悔，故名“贪心”。这是一种算法策略，每次选择得到的都是局部最优解。选择的策略必须具备无后效性，即某个状态以前的过程不会影响以后的状态，只与当前状态有关。
针对TSP问题，使用贪心算法的求解的过程为：
1.从某一个城市开始，每次选择一个城市，直到所有的城市被走完。
2.每次在选择下一个城市的时候，只考虑当前情况，保证迄今为止经过的路径总距离最小。
2、源程序

#include<iostream> 
using namespace std; 
#define n 4 
int main() 
{   int i,j,k,l; int S[n];//用于存储已访问过的城市 int D[n][n];//用于存储两个城市之间的距离 int sum = 0;//用于记算已访问过的城市的最小路径长度 int Dtemp;//保证Dtemp比任意两个城市之间的距离都大（其实在算法描述中更准确的应为无穷大） int flag;最为访问的标志，若被访问过则为1，从未被访问过则为0 /*初始化*/ i = 1;//i是至今已访问过的城市 S[0] = 0; D[0][1] = 2;D[0][2] = 6;D[0][3] = 5;D[1][0] = 2;D[1][2] = 4; D[1][3] = 4;D[2][0] = 6;D[2][1] = 4;D[2][3] = 2;D[3][0] = 5; D[3][1] = 4;D[3][2] = 2; do{ k = 1;Dtemp = 10000; do{ l = 0;flag = 0; do{ if(S[l] == k){//判断该城市是否已被访问过，若被访问过， flag = 1;//则flag为1 break;//跳出循环，不参与距离的比较 }else l++; }while(l < i); if(flag == 0&&D[k][S[i - 1]] < Dtemp){/*D[k][S[i - 1]]表示当前未被访问的城市k与上一个已访问过的城市i-1之间的距离*/ j = k;//j用于存储已访问过的城市k Dtemp = D[k][S[i - 1]];//Dtemp用于暂时存储当前最小路径的值 } k++; }while(k < n);S[i] = j;//将已访问过的城市j存入到S[i]中 i++; sum += Dtemp;//求出各城市之间的最短距离，注意：在结束循环时，该旅行商尚未回到原出发的城市 }while(i < n); sum += D[0][j];//D[0][j]为旅行商所在的最后一个城市与原出发的城市之间的距离 cout<<"经过的城市的路径:";for(j = 0; j < n; j++){ //输出经过的城市的路径 cout<<j<<" "; } cout<<"\n访问过的城市的最小路径长度:"<<sum<<"\n";//求出最短路径的值}

（二）哈夫曼编码问题

1、基本算法思想
哈夫曼提出构造最优前缀码的贪心算法，由此产生的编码方案称为哈夫曼编码。其构造步骤如下：
(1)哈夫曼算法以自底向上的方式构造表示最优前缀码的二叉树T。
(2)算法以|C|个叶结点开始，执行|C|－1次的“合并”运算后产生最终所要求的树T。
(3)假设编码字符集中每一字符c的频率是f©。
以f为键值的优先队列Q用在贪心选择时有效地确定算法当前要合并的2棵具有最小频率的树。
一旦2棵具有最小频率的树合并后，产生一棵新的树，其频率为合并的2棵树的频率之和，并将新树插入优先队列Q。
经过n－1次的合并后，优先队列中只剩下一棵树，即所要求的树T。.
2、源程序

#include<iostream>  
#include<string>  
using namespace std;
struct Node
{double weight;  string ch;  string code; int lchild, rchild, parent;
};void Select(Node huffTree[], int *a, int *b, int n)//找权值最小的两个a和b  
{int i;double weight = 0; //找最小的数for (i = 0; i <n; i++){if (huffTree[i].parent != -1)     //判断节点是否已经选过continue;else{if (weight == 0){weight = huffTree[i].weight;*a = i;}else{if (huffTree[i].weight < weight){weight = huffTree[i].weight;*a = i;}}}}weight = 0; //找第二小的数for (i = 0; i < n; i++){if (huffTree[i].parent != -1 || (i == *a))//排除已选过的数continue;else{if (weight == 0){weight = huffTree[i].weight;*b = i;}else{if (huffTree[i].weight  < weight){weight = huffTree[i].weight;*b = i;}}}}int temp;if (huffTree[*a].lchild < huffTree[*b].lchild)  //小的数放左边{temp = *a;*a = *b;*b = temp;}
}void Huff_Tree(Node huffTree[], int w[], string ch[], int n)
{for (int i = 0; i < 2 * n - 1; i++) //初始过程{huffTree[i].parent = -1;    huffTree[i].lchild = -1;    huffTree[i].rchild = -1;  huffTree[i].code = "";}for (int i = 0; i < n; i++)       {huffTree[i].weight = w[i];  huffTree[i].ch = ch[i];     }for (int k = n; k < 2 * n - 1; k++){int i1 = 0;int i2 = 0;Select(huffTree, &i1, &i2, k); //将i1，i2节点合成节点khuffTree[i1].parent = k;   huffTree[i2].parent = k;huffTree[k].weight = huffTree[i1].weight + huffTree[i2].weight;huffTree[k].lchild = i1;huffTree[k].rchild = i2;}
}void Huff_Code(Node huffTree[], int n)
{int i, j, k;string s = "";for (i = 0; i < n; i++)  {s = "";         j = i;                while (huffTree[j].parent != -1) //从叶子往上找到根节点{k = huffTree[j].parent;if (j == huffTree[k].lchild) //如果是根的左孩子，则记为0{s = s + "0";}else               {s = s + "1";}j = huffTree[j].parent; }cout << "字符 " << huffTree[i].ch << " 的编码：";for (int l = s.size() - 1; l >= 0; l--)    {cout << s[l];huffTree[i].code += s[l]; //保存编码}cout << endl;}
}
string Huff_Decode(Node huffTree[], int n,string s)
{cout << "解码后为：";string temp = "",str="";//保存解码后的字符串for (int i = 0; i < s.size(); i++){temp = temp + s[i];for (int j = 0; j < n; j++){    if (temp == huffTree[j].code){str=str+ huffTree[j].ch;temp = "";break;}    else if (i == s.size()-1&&j==n-1&&temp!="")//全部遍历后没有{str= "解码错误！";}}}return str;
}int main()
{//编码过程const int n=5;Node huffTree[2 * n];string str[] = { "A", "B", "C", "D", "E"};int w[] = { 30, 30, 5, 20, 15 };Huff_Tree(huffTree, w, str, n);Huff_Code(huffTree, n);//解码过程string s;cout << "输入编码：";cin >> s;cout << Huff_Decode(huffTree, n, s)<< endl;;system("pause");return 0;
}

（三）动态服务问题

1、基本算法思想
如果f[i][v]表示前i件物品恰放入一个容量为v的背包可以获得的最大价值。则其状态转移方程便是：f[i][v]=max{f[i-1][v],f[i-1][v-c[i]]+w[i]}
这个方程非常重要，基本上所有跟背包相关的问题的方程都是由它衍生出来的。所以有必要将它详细解释一下：“将前i件物品放入容量为v的背包中”这个子问题，若只考虑第i件物品的策略（放或不放），那么就可以转化为一个只牵扯前i-1件物品的问题。如果不放第i件物品，那么问题就转化为“前i-1件物品放入容量为v的背包中”，价值为f[i-1][v]；如果放第i件物品，那么问题就转化为“前i-1件物品放入剩下的容量为v-c[i]的背包中”，此时能获得的最大价值就是f[i-1][v-c[i]]再加上通过放入第i件物品获得的价值w[i]。
2、源程序

#include <iostream>
#include<cstdio>
#define N 100
#define MAX(a,b) a < b ? b : a
using namespace std;struct goods{
int sign;//物品序号
int wight;//物品重量
int value;//物品价值
};int n,bestValue,cv,cw,C;//物品数量，价值最大，当前价值，当前重量，背包容量
int X[N],cx[N];//最终存储状态，当前存储状态
struct goods goods[N];int KnapSack(int n,struct goods a[],int C,int x[]){int V[N][10*N];for(int i = 0; i <= n; i++)//初始化第0列V[i][0] = 0;for(int j = 0; j <= C; j++)//初始化第0行V[0][j] = 0;for(int i = 1; i <= n; i++)for(int j = 1; j <= C; j++)if(j < a[i-1].wight)V[i][j] = V[i-1][j];elseV[i][j] = MAX(V[i-1][j],V[i-1][j-a[i-1].wight] + a[i-1].value);for(int i = n,j = C; i > 0; i--){if(V[i][j] > V[i-1][j]){x[i-1] = 1;j = j - a[i-1].wight;}elsex[i-1] = 0;}return V[n][C];
}
int main()
{printf("物品种类n：");scanf("%d",&n);printf("背包容量C：");scanf("%d",&C);for(int i = 0; i < n; i++){printf("物品%d的重量w[%d]及其价值v[%d]：",i+1,i+1,i+1);scanf("%d%d",&goods[i].wight,&goods[i].value);}int sum2 = KnapSack(n,goods,C,X);printf("动态规划法求解0/1背包问题:\nX=[");for(int i = 0; i < n; i++)cout<<X[i]<<" ";//输出所求X[n]矩阵printf("]   装入总价值%d\n", sum2);return 0;
}

（四）最小生成树问题

1、基本算法思想
Prim算法
1.概览
普里姆算法（Prim算法），图论中的一种算法，可在加权连通图里搜索最小生成树。意即由此算法搜索到的边子集所构成的树中，不但包括了连通图里的所有顶点（英语：Vertex (graph theory)），且其所有边的权值之和亦为最小。该算法于1930年由捷克数学家沃伊捷赫·亚尔尼克（英语：Vojtěch Jarník）发现；并在1957年由美国计算机科学家罗伯特·普里姆（英语：Robert C. Prim）独立发现；1959年，艾兹格·迪科斯彻再次发现了该算法。因此，在某些场合，普里姆算法又被称为DJP算法、亚尔尼克算法或普里姆－亚尔尼克算法。

2.算法简单描述
1).输入：一个加权连通图，其中顶点集合为V，边集合为E；
2).初始化：Vnew = {x}，其中x为集合V中的任一节点（起始点），Enew = {},为空；
3).重复下列操作，直到Vnew = V：
a.在集合E中选取权值最小的边<u, v>，其中u为集合Vnew中的元素，而v不在Vnew集合当中，并且v∈V（如果存在有多条满足前述条件即具有相同权值的边，则可任意选取其中之一）；
b.将v加入集合Vnew中，将<u, v>边加入集合Enew中；
4).输出：使用集合Vnew和Enew来描述所得到的最小生成树。

Kruskal算法是一种用来寻找最小生成树的算法，由Joseph Kruskal在1956年发表。用来解决同样问题的还有Prim算法和Boruvka算法等。三种算法都是贪婪算法的应用。和Boruvka算法不同的地方是，Kruskal算法在图中存在相同权值的边时也有效。

2.算法简单描述
1).记Graph中有v个顶点，e个边
2).新建图Graphnew，Graphnew中拥有原图中相同的e个顶点，但没有边
3).将原图Graph中所有e个边按权值从小到大排序
4).循环：从权值最小的边开始遍历每条边直至图Graph中所有的节点都在同一个连通分量中 if 这条边连接的两个节点于图Graphnew中不在同一个连通分量中添加这条边到图Graphnew中
2、源程序

Prim算法

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;//Prim算法实现
void prim_test()
{int n;cin >> n;vector<vector<int> > A(n, vector<int>(n));for(int i = 0; i < n ; ++i) {for(int j = 0; j < n; ++j) {cin >> A[i][j];}}int pos, minimum;int min_tree = 0;//lowcost数组记录每2个点间最小权值，visited数组标记某点是否已访问vector<int> visited, lowcost;for (int i = 0; i < n; ++i) {visited.push_back(0);    //初始化为0，表示都没加入}visited[0] = 1;   //最小生成树从第一个顶点开始for (int i = 0; i < n; ++i) {lowcost.push_back(A[0][i]);    //权值初始化为0}for (int i = 0; i < n; ++i) {    //枚举n个顶点minimum = max_int;for (int j = 0; j < n; ++j) {    //找到最小权边对应顶点if(!visited[j] && minimum > lowcost[j]) {minimum = lowcost[j];pos = j;}}if (minimum == max_int)    //如果min = max_int表示已经不再有点可以加入最小生成树中break;min_tree += minimum;visited[pos] = 1;     //加入最小生成树中for (int j = 0; j < n; ++j) {if(!visited[j] && lowcost[j] > A[pos][j]) lowcost[j] = A[pos][j];   //更新可更新边的权值}}cout << min_tree << endl;
}int main(void)
{prim_test();return 0;
}

Kruskal算法

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;//并查集实现最小生成树
vector<int> u, v, weights, w_r, father;
int mycmp(int i, int j)
{return weights[i] < weights[j];
}
int find(int x)
{return father[x] == x ? x : father[x] = find(father[x]);
}
void kruskal_test()
{int n;cin >> n;vector<vector<int> > A(n, vector<int>(n));for(int i = 0; i < n; ++i) {for (int j = 0; j < n; ++j) {cin >> A[i][j];}}int edges = 0;// 共计n*(n - 1)/2条边for (int i = 0; i < n - 1; ++i) {for (int j = i + 1; j < n; ++j) {u.push_back(i);v.push_back(j);weights.push_back(A[i][j]);w_r.push_back(edges++);}}for (int i = 0; i < n; ++i) {father.push_back(i);    // 记录n个节点的根节点，初始化为各自本身}sort(w_r.begin(), w_r.end(), mycmp); //以weight的大小来对索引值进行排序int min_tree = 0, cnt = 0;for (int i = 0; i < edges; ++i) {int e = w_r[i];    //e代表排序后的权值的索引int x = find(u[e]), y = find(v[e]);//x不等于y表示u[e]和v[e]两个节点没有公共根节点，可以合并if (x != y) {min_tree += weights[e];father[x] = y;++cnt;}}if (cnt < n - 1) min_tree = 0;cout << min_tree << endl;
}int main(void)
{kruskal_test();return 0;
}

（五）图着色问题

1、基本算法思想
图的m色优化问题:给定无向连通图G,为图G的各顶点着色, 使图中任2邻接点着不同颜色,问最少需要几种颜色。所需的最少颜色的数目m称为该图的色数。
若图G是可平面图,则它的色数不超过4色(4色定理).
4色定理的应用:在一个平面或球面上的任何地图能够只用4种
颜色来着色使得相邻的国家在地图上着有不同颜色
2、源程序

#include<stdio.h>int color[100];
//int c[100][100];
bool ok(int k ,int c[][100])//判断顶点k的着色是否发生冲突
{int i,j;for(i=1;i<k;i++)if(c[k][i]==1&&color[i]==color[k])return false;return true;
}void graphcolor(int n,int m,int c[][100])
{int i,k;for(i=1;i<=n;i++)color[i]=0;//初始化k=1;while(k>=1){color[k]=color[k]+1;while(color[k]<=m)if (ok(k,c)) break;else color[k]=color[k]+1;//搜索下一个颜色if(color[k]<=m&&k==n)//求解完毕，输出解{for(i=1;i<=n;i++)printf("%d ",color[i]);printf("\n");//return;//return表示之求解其中一种解}else if(color[k]<=m&&k<n)k=k+1;    //处理下一个顶点else{color[k]=0;k=k-1;//回溯}}
}
void main()
{int i,j,n,m;int c[100][100];//存储n个顶点的无向图的数组printf("输入顶点数n和着色数m:\n");scanf("%d %d",&n,&m);printf("输入无向图的邻接矩阵:\n");for(i=1;i<=n;i++)for(j=1;j<=n;j++)scanf("%d",&c[i][j]);printf("着色所有可能的解:\n");graphcolor(n,m,c);
}